石化企業(yè)中心控制室的抗爆需求探討

張少鵬，劉秀琴(. 中國(guó)石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 6607；. 海工英派爾工程有限公司，山東 青島 6606)

石化企業(yè)中心控制室的抗爆需求探討

張少鵬1，劉秀琴2
(1. 中國(guó)石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071；2. 海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266061)

石油化工企業(yè)中心控制室通常采用抗爆結(jié)構(gòu)，隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中心控制室的生產(chǎn)管理功能逐漸增強(qiáng)，越來越多的企業(yè)希望中心控制室能采用非抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足室內(nèi)人員的舒適性要求。敘述了中心控制室的抗爆要求，并引用近年來爆炸超壓對(duì)建筑物的影響、蒸汽云爆炸超壓后果預(yù)測(cè)模型和空氣中爆炸沖擊波傳播規(guī)律等領(lǐng)域的一些研究成果，探討了爆炸沖擊波超壓與控制室抗爆結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，商討如何根據(jù)距離判斷中心控制室是否可以選擇非抗爆結(jié)構(gòu)，并給出了初步的量化指標(biāo)，供自控設(shè)計(jì)人員參考。

中心控制室 抗爆結(jié)構(gòu) 蒸汽云 爆炸沖擊波 超壓

中心控制室作為石化企業(yè)的控制中心和數(shù)據(jù)中心，正在發(fā)揮越來越大的作用。許多新建大型石化項(xiàng)目，要求中心控制室除了具備傳統(tǒng)的生產(chǎn)操作和過程控制功能外，還要承擔(dān)更多的生產(chǎn)管理功能，成為全廠的生產(chǎn)管理中心、安全環(huán)保管理中心和機(jī)動(dòng)中心。

出于安全性的考慮，中心控制室通常設(shè)計(jì)成抗爆結(jié)構(gòu)，但抗爆結(jié)構(gòu)造價(jià)高、空間封閉、面積受限，難以滿足室內(nèi)辦公人員對(duì)光照、通風(fēng)等方面的舒適性要求。目前由于中心控制室功能提升，大量生產(chǎn)管理和技術(shù)人員進(jìn)入辦公，要求控制室要像常規(guī)辦公室那樣在外墻開窗。因此，能否在保證安全性的前提下，進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，選擇非抗爆結(jié)構(gòu)的中心控制室，成為業(yè)內(nèi)討論的重點(diǎn)話題。

一般認(rèn)為，如果建筑物遠(yuǎn)離爆炸源，建筑物受到的爆炸沖擊力可以忽略不計(jì)，就不必進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)。但建筑物離爆炸源多遠(yuǎn)、沖擊力多大可以不進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)，尚無定論。

SH/T 3006—2012《石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4條中規(guī)定“對(duì)于有爆炸危險(xiǎn)的石油化工裝置，控制室建筑物的建筑、結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)抗爆強(qiáng)度計(jì)算、分析結(jié)果設(shè)計(jì)”。與SH 3006—1999《石油化工控制室和自動(dòng)分析器室設(shè)計(jì)規(guī)范》相比，新版規(guī)范不再?gòu)?qiáng)調(diào)“聯(lián)合裝置的中央控制室建筑物應(yīng)采用抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，也沒有給出控制室是否應(yīng)采用抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的量化判斷標(biāo)準(zhǔn)。按照新版規(guī)范的解釋，該問題應(yīng)由安全、建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)人員解決，但這些專業(yè)人員無論是從距離上量化，還是從爆炸力上量化，都缺少相關(guān)依據(jù)，因而未能有效解決該問題。

作為中心控制室的主體設(shè)計(jì)專業(yè)，自控專業(yè)的設(shè)計(jì)人員一直非常關(guān)心中心控制室是否需要采用抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@對(duì)規(guī)劃中心控制室的位置和功能結(jié)構(gòu)非常重要。針對(duì)該問題，筆者進(jìn)行了一些探討，對(duì)控制室是否需要采用抗爆設(shè)計(jì)提出了初步的量化指標(biāo)，供自控設(shè)計(jì)人員參考，以便在中心控制室設(shè)計(jì)中結(jié)合不同的需求，合理規(guī)劃其位置和功能。

1 中心控制室的抗爆需求

石油化工企業(yè)中可能存在的爆炸形式有蒸汽云爆炸VCE(Vapor Cloud Explosion)、壓力容器爆炸以及粉塵爆炸，但主要應(yīng)考慮VCE。

爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓氣體以極高的速度沿球面膨脹，把爆炸反應(yīng)釋放出的部分能量傳遞給相鄰被壓縮的空氣層?？諝馐軟_擊而發(fā)生擾動(dòng)，使其壓力、密度等產(chǎn)生突變，這種擾動(dòng)在空氣中傳播被稱為沖擊波，沖擊波通過時(shí)產(chǎn)生的超過大氣壓的空氣壓力被稱為超壓。沖擊波產(chǎn)生的破壞作用主要是由其波陣面上的超壓引起的,在超壓作用下，建筑物可能被摧毀，設(shè)備、管道等可能會(huì)遭到破壞，人員也可能出現(xiàn)傷亡。

API RP554 PART2ProcessControlSystemDesign第13.3節(jié)中提出：“控制中心可能要建設(shè)成抗爆結(jié)構(gòu)，以便在事故發(fā)生時(shí)能保護(hù)操作人員和計(jì)算機(jī)過程控制設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)工藝過程的安全有序停車。”

由于操作人員和計(jì)算機(jī)設(shè)備都處于中心控制室建筑物保護(hù)之下，因而建筑物在爆炸事故下可能的破損程度，是判定中心控制室是否選擇抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。

在爆炸中，建筑物的門窗玻璃通常比墻體更容易損壞。爆炸中，如果只損壞少量的玻璃，中心控制室的建筑物可以按照普通工業(yè)辦公建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，但應(yīng)采用安全玻璃；如果玻璃破損嚴(yán)重，需在建筑設(shè)計(jì)中考慮取消外墻上的玻璃窗；如果爆炸使建筑物結(jié)構(gòu)損壞，就應(yīng)合理采用抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，中心控制室建筑結(jié)構(gòu)的破損不能危及室內(nèi)人員的生命安全，人無傷的爆炸超壓上限是6.86 kPa[1]。

2 爆炸超壓與控制室結(jié)構(gòu)選擇

爆炸沖擊波產(chǎn)生的破壞作用可用峰值超壓、持續(xù)時(shí)間和沖量3個(gè)特征參數(shù)衡量。其中，峰值超壓是衡量爆炸沖擊波的最重要參數(shù)。定量分析爆炸沖擊波的危害，最簡(jiǎn)便的方法就是分析爆炸超壓與破壞作用的關(guān)系。

許多國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)中提出了不同的爆炸超壓下，對(duì)中心控制室建筑結(jié)構(gòu)的要求。ISA RP60.1ControlCenterFacilities，DEP34.17.10.30BlastResistantandBlastResistantControlBuildings/FieldAuxiliaryRooms等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爆炸超壓與抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系進(jìn)行了描述[2]。DEP34.17.10.32DesignandEngineeringofBuildings進(jìn)一步指出爆炸荷載(側(cè)/頂過壓)小于1 kPa時(shí)，建筑物無防爆要求；在1～5 kPa時(shí)，門窗應(yīng)采用夾層安全玻璃。但是，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有列出選定這些參數(shù)的依據(jù)。

DNV以表的形式說明爆炸超壓對(duì)建筑物的破壞影響，見表1和表2所列，該2組數(shù)據(jù)分別引自1972年Clancey VJ在蘇格蘭愛丁堡第六屆科學(xué)國(guó)際會(huì)議上的報(bào)告《爆炸破壞的判斷特點(diǎn)》和Stepgens在1970年的研究結(jié)果。

表1 爆炸超壓對(duì)受到?jīng)_擊的煉油設(shè)施的影響

表2 爆炸超壓造成的破壞影響

續(xù) 表 2

表3和表4列出了爆炸沖擊波超壓與建筑物破壞程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 爆炸沖擊力對(duì)磚結(jié)構(gòu)建筑物的破壞作用[3]

表4 1000 kg TNT地面爆炸時(shí)沖擊波超壓

續(xù) 表 4

綜合比較表1～表4爆炸沖擊波對(duì)建筑物部件、人員及儀表設(shè)備的危害情況，筆者認(rèn)為可以選定1，5，20 kPa用于區(qū)分中心控制室的抗爆需求。

1) 在爆炸超壓小于1 kPa的區(qū)域，可能會(huì)造成有限玻璃破碎，建筑物結(jié)構(gòu)并沒有被破壞，對(duì)人員不會(huì)造成危害，建筑物可以不用考慮抗爆的問題。

2) 在爆炸超壓介于1～5 kPa的區(qū)域，房屋的結(jié)構(gòu)會(huì)造成可以修復(fù)的較小破壞，混凝土建筑物框架不會(huì)出現(xiàn)變形，門窗玻璃部分破碎，但人員不會(huì)受傷。在中心控制室設(shè)計(jì)中可以采用不設(shè)抗爆墻的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，但控制室的門窗不宜朝向爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，玻璃應(yīng)采用安全玻璃，確保一旦門窗玻璃受爆炸沖擊破碎后，碎片不會(huì)四散傷人。

3) 在爆炸超壓介于5～20 kPa的區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致受壓面的門窗玻璃粉碎，房屋結(jié)構(gòu)部分毀壞或坍塌，沒有加固的空心磚墻壁粉碎，而且人員可能受傷。中心控制室的結(jié)構(gòu)應(yīng)按照可以承受20 kPa超壓設(shè)計(jì)，外墻不宜開窗，門窗應(yīng)按照抗爆門窗設(shè)計(jì)，室內(nèi)設(shè)備應(yīng)牢固安裝，避免爆炸震動(dòng)引起的損毀。

4) 在爆炸超壓大于20 kPa的區(qū)域，建筑物受損嚴(yán)重，甚至完全被損壞。雖然在一定的爆炸超壓范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌，但是如果條件允許，中心控制室不宜布置在該區(qū)域。

綜合上述分析，建議在爆炸超壓小于5 kPa的區(qū)域，中心控制室建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不做額外的抗爆考慮，只按常規(guī)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但門窗應(yīng)采用安全玻璃。

3 蒸汽云爆炸超壓后果的幾種預(yù)測(cè)模型比較

蒸汽云爆炸后果的預(yù)測(cè)模型主要有數(shù)值模型、物理模型和關(guān)系模型，其中關(guān)系模型應(yīng)用最廣泛，包括有TNT等效當(dāng)量法、TNO多能量法、Baker-strehlow法等。

API RP 752ManagementofHazardsAssociatedwithLocationofProcessPlantPermanentBuildings第6.3節(jié)指出：“在建筑物位置評(píng)估時(shí)，不能采用TNT等效法確定VCE荷載。TNT等效當(dāng)量法對(duì)燃料反應(yīng)差異或由于擁擠和限制造成的火焰擴(kuò)散速度變化不加區(qū)別。并且所確定的TNT爆炸模型的當(dāng)量和持續(xù)時(shí)間與VCE有顯著差異”。API RP 752推薦采用TNO多能量法、Baker-Strehlow-Tang法、CAM法和CFD法。

有些文獻(xiàn)對(duì)比了TNT等效當(dāng)量法、TNO多能量法和Baker-strehlow法，發(fā)現(xiàn)與TNO多能量法和Baker-strehlow法相比，采用TNT等效當(dāng)量法對(duì)爆炸后果的預(yù)測(cè)，在距離爆炸源較近時(shí)超壓偏大，而距離較遠(yuǎn)時(shí)超壓偏小。但當(dāng)超壓處于2.2～7.0 kPa時(shí)，三種模型計(jì)算出的距離相差不大[5]。TNT等效當(dāng)量法適用于很強(qiáng)的VCE，且用以模擬爆炸遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)偏差較小，模擬爆炸近場(chǎng)時(shí)可能會(huì)高估VCE產(chǎn)生的超壓[6]。

GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第4.2.12條規(guī)定中心控制室為石油化工企業(yè)第一類重要設(shè)施，與工藝裝置(單元)的距離應(yīng)大于30 m，并且本文主要討論建筑物可能承受的爆炸超壓小于5 kPa的情況。因此，在本文討論的范圍內(nèi)，采用TNT等效當(dāng)量法得到的結(jié)果與其他VCE預(yù)測(cè)模型應(yīng)基本一致。

API RP 752不推薦采用TNT等效當(dāng)量法的原因，主要是由于VCE和TNT爆炸內(nèi)部反應(yīng)特征不同，用TNT等效當(dāng)量法估算的爆炸當(dāng)量、持續(xù)時(shí)間不準(zhǔn)。本文不直接采用TNT等效當(dāng)量法去估算石化裝置VCE的當(dāng)量和持續(xù)時(shí)間，而是運(yùn)用空氣中TNT爆炸沖擊波超壓衰減的規(guī)律，對(duì)不同規(guī)模VCE的沖擊波衰減情況進(jìn)行運(yùn)算，從而得出距離爆炸源特定距離的可能爆炸超壓值。

4 爆炸超壓預(yù)測(cè)公式

立方根比例定律(又稱為Hopkinson-Cranz比例定律)的內(nèi)容： 兩個(gè)幾何形狀相似但尺寸不同的同種爆炸物在相同的大氣環(huán)境條件下爆炸，在相同的比例距離必然產(chǎn)生相似的沖擊波。比例距離的表達(dá)式為

(1)

式中：Z——比例距離；m——炸藥的TNT當(dāng)量，kg；r——觀測(cè)點(diǎn)距離爆炸中心的距離，m。

空氣中爆炸沖擊波峰值超壓的常見預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，多數(shù)限定了比例距離的數(shù)值。在比例距離小于10時(shí)，各個(gè)公式均適用，且比例距離為1～10時(shí)，各公式的預(yù)測(cè)結(jié)果接近[7]。當(dāng)比例距離大于10后，只有個(gè)別公式可用。其中，Brode(1955)的公式對(duì)比例距離的范圍沒有限定，可用于討論距離爆炸中心較遠(yuǎn)的情況，所以筆者選擇該公式計(jì)算沖擊波超壓與距離的關(guān)系，其公式如下：

(2)

(0.01≤Δp≤1)

式中： Δp——沖擊波超壓，MPa。

對(duì)于石化裝置常見的烴類物質(zhì)，由于爆炸中心處的爆炸超壓一般在50～400 kPa，最高不會(huì)超過800 kPa[3]，因而選取Brode公式中爆炸沖擊波峰值在1 MPa以下的算式，并將比例距離代入，得到如下算式：

(3)

5 爆炸超壓與距離的關(guān)系

典型的化工裝置VCE中，離爆炸中心30 m處受到的爆炸超壓一般在200～800 kPa[3]。如果在式(3)中將該超壓范圍和距離代入核算，可得爆炸超壓為200 kPa時(shí)，TNT當(dāng)量約為4.7 t；爆炸超壓為800 kPa時(shí)，TNT當(dāng)量約為26 t。

API RP550第12.4.2條提到：抗爆結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取決于存在的潛在條件和需要保護(hù)的程度。這種結(jié)構(gòu)的定義就是建筑物能承受在30.48 m(100 in)以外裝置的爆炸(爆炸的能量相當(dāng)于907.18 kg(1短噸)的TNT炸藥)，發(fā)生中等程度的結(jié)構(gòu)損壞，但沒有倒塌[6]。

選擇TNT當(dāng)量1，5，10，26 t，用式(3)計(jì)算爆炸沖擊波超壓(kPa)與距離(m)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 爆炸超壓與距離的關(guān)系

從圖1可以看出，對(duì)于典型裝置的不同程度爆炸，超壓1 kPa對(duì)應(yīng)的距離約為350～1000 m，超壓5 kPa對(duì)應(yīng)的距離約為160～470 m，超壓20 kPa對(duì)應(yīng)的距離約為65～180 m。

石化裝置的蒸汽云位置具有一定的不確定性，較難衡量爆炸中心的具體位置。從較嚴(yán)格的角度考慮，可將石化裝置邊界內(nèi)作為爆炸中心區(qū)域。

當(dāng)距離爆炸危險(xiǎn)裝置400 m以外時(shí)，筆者建議中心控制室采用非抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因?yàn)槲闹袑?duì)爆炸超壓危害程度以及VCE效果都選擇了較為苛刻的參數(shù)，所以當(dāng)裝置發(fā)生VCE時(shí)，該距離以外的最大超壓一般會(huì)小于5 kPa，滿足了非抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件。

圖1中，在不同的爆炸規(guī)模下，超壓5 kPa對(duì)應(yīng)的距離是變化的，400 m對(duì)應(yīng)著較大的爆炸規(guī)模，相對(duì)較為保守。根據(jù)企業(yè)工藝裝置流程和平面布置的具體特點(diǎn)，在爆炸規(guī)模較小時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以考慮選擇較近的距離。

當(dāng)然，以上提到的方法和數(shù)據(jù)僅用于自控設(shè)計(jì)人員估算，具體的爆炸超壓數(shù)值應(yīng)以安全專業(yè)人員提供的爆炸危險(xiǎn)分析報(bào)告為準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

目前，越來越多的工程項(xiàng)目在建設(shè)中運(yùn)用爆炸后果預(yù)測(cè)軟件來評(píng)估項(xiàng)目中不同建筑承受的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，有些項(xiàng)目還邀請(qǐng)DNV等國(guó)際知名的安全咨詢公司從事該工作。

筆者沒有采用對(duì)VCE后果預(yù)測(cè)更為精確的幾種軟件，也未考慮爆炸沖擊波傳播過程中地面障礙物的影響，只是采用盡可能嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)和方法，推導(dǎo)出“距離爆炸危險(xiǎn)裝置400 m或爆炸超壓小于5 kPa”作為中心控制室選擇非抗爆結(jié)構(gòu)的初步依據(jù)。這些數(shù)據(jù)只是初步估算，并且偏于保守。

每個(gè)項(xiàng)目的情況不同,在中心控制室的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)安全專業(yè)人員提供的正式分析報(bào)告結(jié)果，合理選擇控制室是否需要采用抗爆結(jié)構(gòu)。

隨著本質(zhì)安全和人性化設(shè)計(jì)理念的逐步貫徹以及爆炸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，業(yè)內(nèi)對(duì)該問題的認(rèn)識(shí)會(huì)更加清晰。相信在不遠(yuǎn)的將來，一定會(huì)出現(xiàn)更為準(zhǔn)確和方便的方法來量化判斷控制室是否需要進(jìn)行抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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DiscussiononBlastResistantRequirementofCentralControlRoomforPetro-ChemicalEnterprise

Zhang Shaopeng1, Liu Xiuqin2

(1. CPECC East-China Design Branch, Qingdao, 266071, China；

2. Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266061, China)

The central control room (CCR) in petro-chemical enterprise is usually constructed with blast resistant. With the continuous expansion of enterprise，the production managerial functions of CCR are becoming more and more. To make indoor human comfortable, more and more enterprise prefer to use non-blast resistant structure for the CCR. The requirement of blast resistant for CCR has been disclosed in detail. With the quotation of some new research results in the fields of explosion overpressure effects on buildings, models for predicting the strength of vapor cloud explosion and propagation rule of explosion shock wave in the air, the relationship between explosion overpressure and blast resistant control room is discussed, and how to make the judgment on whether CCR could adopt non-blast-resistant structure based on the distance between CCR and explosion hazard plants are also discussed. Some preliminary parameters are recommended, and can be used as the reference for instrumentation designers.

central control room; blast-resistant structure; vapor cloud; blast shock wave; overpressure

稿件收到日期： 2013-04-15，修改稿收到日期2013-05-09。

張少鵬(1970—)，男，遼寧撫順人，1991年畢業(yè)于大連理工大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司電控室，任主任工程師、高級(jí)工程師，曾在《石油化工自動(dòng)化》、《自動(dòng)化博覽》等刊物上發(fā)表論文多篇。

X932

B

1007-7324(2013)05-0007-05